關(guān)于風(fēng)電機(jī)組不落雷的直擊雷防護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

國家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司 蘇 俊 周慶根 張 磊 張樹臣 朱興龍

國家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司位于江蘇省鹽城市，公司風(fēng)電場(chǎng)之一徐州賈汪風(fēng)電場(chǎng)位于于徐州市賈汪區(qū)，場(chǎng)址內(nèi)海拔高度在30～150米之間，南北長(zhǎng)約13.8公里，東西寬約12.3公里，總面積約38平方公里，為江蘇境內(nèi)第一家山地風(fēng)電項(xiàng)目。賈汪風(fēng)電總裝機(jī)容量為74MW，于2014年9月開工建設(shè)，2015年6月全容量并網(wǎng)。賈汪風(fēng)電屬于三類山地風(fēng)場(chǎng)，全年平均風(fēng)速5m/s左右，可利用小時(shí)數(shù)為2009小時(shí)，大風(fēng)期主要集中在春冬兩季。

1 防雷狀況及其分析

風(fēng)電機(jī)組雷擊事故情況。賈汪風(fēng)電場(chǎng)37臺(tái)風(fēng)機(jī)均建在多石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的山頂上，海拔80～200米，該地區(qū)夏季雷暴頻繁，平均雷暴天數(shù)為29天，36#風(fēng)電機(jī)組多次遭受雷擊故障。由于賈汪風(fēng)電場(chǎng)土壤電阻率較高，對(duì)37臺(tái)風(fēng)機(jī)全部做了接地降租處理，36#風(fēng)機(jī)遭雷擊問題基本排除接地電阻的因素。36#風(fēng)機(jī)位置處于賈汪風(fēng)電場(chǎng)最高點(diǎn)，經(jīng)實(shí)地考察，36#、37#風(fēng)機(jī)安裝位置為平原與山地陡坡交界面，屬于易于形成雷電的典型地貌。

風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)討論風(fēng)機(jī)葉片的直擊雷防護(hù)問題，賈汪風(fēng)電機(jī)組葉片的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)采用引雷入地技術(shù)，包括接閃器、引下線、接地三部分。風(fēng)機(jī)葉片接閃器安裝在葉片頂部，引下線包括葉片引下線、主軸承+防雷電刷、風(fēng)機(jī)塔筒等部分。賈汪風(fēng)電為雙饋型機(jī)組，主軸承設(shè)計(jì)有防雷電刷。風(fēng)機(jī)葉片接閃后，雷電流經(jīng)葉片引下線、防雷電刷、主軸承、塔筒匯入大地。在風(fēng)機(jī)塔筒塔基處設(shè)計(jì)接地點(diǎn)，雷電流主要部分經(jīng)接地點(diǎn)流入大地。

雷電流路徑。其中經(jīng)防雷電刷分流部分有限，雷電流主要經(jīng)主軸承流入大地。防雷電刷和主軸承均為動(dòng)態(tài)部件，運(yùn)行過程中存在震動(dòng)、磨損、灰塵等因素增加接觸電阻。根據(jù)我國大部分地區(qū)多年實(shí)測(cè)得到的1205個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電流幅值≥40kA的雷電流占45%，≥80kA的雷電流占17%，≥108kA的雷電流占10%；我國實(shí)測(cè)最大雷電流330kA只占0.1%，其余27.9%雷電流幅值＜40kA。以概率較大的40kA雷電流為例，防雷電刷和主軸承因磨損等因素每增加0.1Ω接觸電阻、葉片的雷電電壓抬升4kV。

雷電流對(duì)葉片及軸承的損壞機(jī)制。當(dāng)雷電擊中葉片后，雷電熱效應(yīng)使葉片內(nèi)部中的水蒸汽和空氣迅速膨脹，瞬間產(chǎn)生巨大壓力的沖擊會(huì)使整個(gè)葉片爆裂，嚴(yán)重時(shí)壓力還會(huì)通過輪轂傳導(dǎo)至沒有遭雷擊的葉片上而引起連鎖的損壞。葉片的雷電電壓越高、熱效應(yīng)越強(qiáng)烈，對(duì)葉片的損壞成度越大。在風(fēng)機(jī)中常有主風(fēng)輪軸承、偏航軸承、變槳軸承，軸承在工作時(shí)運(yùn)動(dòng)且接觸面是變化的，當(dāng)流過軸承接觸面的電流密度超過一定值時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，尤其是當(dāng)雷擊中風(fēng)機(jī)葉片時(shí)所產(chǎn)生的巨大電流流經(jīng)軸承時(shí)會(huì)在接觸面上留下燒蝕斑點(diǎn)，造成軸承的振動(dòng)和機(jī)械磨損增大。雷電流對(duì)軸承的損壞是逐步遞進(jìn)的，是一個(gè)惡性循環(huán)的過程，此過程中同時(shí)增加了葉片遭雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

雷擊原因分析。風(fēng)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)采用富蘭克林引雷入地技術(shù)，關(guān)鍵點(diǎn)為接地電阻。接地電阻符合設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)能及時(shí)泄放雷電流進(jìn)入大地，達(dá)到保護(hù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的目的。由于風(fēng)電機(jī)組功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無法避免在雷電流路徑上存在軸承、防雷電刷等環(huán)節(jié)，在運(yùn)行過程中這些環(huán)節(jié)接觸電阻的變化會(huì)增大葉片的對(duì)地電阻，是風(fēng)電機(jī)組葉片遭受雷擊損壞的主要原因，在引雷入地防雷技術(shù)體系內(nèi)是無法解決的問題，只能尋找其他直擊雷防護(hù)方案。

2 新型直擊雷防護(hù)裝置

為了解決賈汪風(fēng)電場(chǎng)直擊雷雷電防護(hù)問題，引進(jìn)新型直擊雷防護(hù)技術(shù)，基本要求是避免風(fēng)電機(jī)組接閃，消除雷電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組的損壞。

2.1 雷電過程簡(jiǎn)介

雷云對(duì)大地放電通常分為先導(dǎo)放電、主放電和輝光放電三個(gè)階段：先導(dǎo)放電。開始時(shí)往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級(jí)推進(jìn)方式向下發(fā)展，這種放電稱為先導(dǎo)放電（下行先導(dǎo)）。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面上一些高聳的物體會(huì)發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)（上行先導(dǎo)），地面的風(fēng)電機(jī)組安裝在較高位置，在風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境中是主要的上行先導(dǎo)發(fā)生點(diǎn)；主放電。當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，便形成了放電通道，納秒級(jí)時(shí)間后沿著雷電通道就發(fā)生了強(qiáng)烈的電荷中和過程，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十到數(shù)百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段；輝光放電。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來的主放電通道繼續(xù)流入大地，看到的是一片模糊的發(fā)光，這就是輝光放電。

2.2 新型直擊雷防護(hù)裝置介紹

新型直擊雷防護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)原理。雷電對(duì)地面物體的損壞主要是在主放電階段發(fā)生的，新型直擊雷防護(hù)設(shè)備是根據(jù)雷電形成過程設(shè)計(jì)的，避免在被保護(hù)的設(shè)備上發(fā)生雷電主放電。主放電是在先導(dǎo)放電之后形成放電通道時(shí)瞬間發(fā)生的，風(fēng)電機(jī)組作為地面位置較高的導(dǎo)電體，其電場(chǎng)感應(yīng)物理現(xiàn)象無法避免，尤其是風(fēng)電機(jī)組葉片頂部的尖端放電現(xiàn)象是引雷接閃的易發(fā)點(diǎn)，是傳統(tǒng)引雷入地防雷技術(shù)的接閃點(diǎn)，即：風(fēng)電機(jī)組參與雷電過程的先導(dǎo)放電無法避免。先導(dǎo)放電過程通過接地點(diǎn)提供感應(yīng)能量，此過程的電流很小對(duì)接地電阻要求不高，為了阻止雷電落下來，在先導(dǎo)放電發(fā)生后納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)發(fā)生先導(dǎo)放電的點(diǎn)必須與大地呈現(xiàn)高阻抗隔離，使其無法發(fā)生主放電過程。

依此設(shè)計(jì)了新型直擊雷防護(hù)設(shè)備的關(guān)鍵部件：變租抑制器。變租抑制器在感應(yīng)電極下方，在晴朗天氣時(shí)呈高阻狀態(tài)，當(dāng)有雷云經(jīng)過時(shí)，感應(yīng)電極感應(yīng)異性電荷，當(dāng)感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，變阻抑制器納秒級(jí)導(dǎo)通使感應(yīng)極與大地連通，大地迅速提供大量感應(yīng)電荷，使感應(yīng)極發(fā)生先導(dǎo)放電，先導(dǎo)放電后感應(yīng)極失壓，此時(shí)變阻抑制器納秒級(jí)呈高阻狀態(tài)使感應(yīng)極與大地高阻隔離，破壞了雷電通道形成條件，即：在先導(dǎo)放電后無法發(fā)生主放電，達(dá)到阻止落雷的目的。

新型直擊雷防護(hù)裝置與引雷入地技術(shù)不同，是通過阻斷雷電通道的技術(shù)讓雷不落在防護(hù)區(qū)域，安裝在葉片上避免風(fēng)電機(jī)組接閃，該裝置為無源設(shè)備，通過十幾年應(yīng)用設(shè)備可靠、技術(shù)成熟。從雷電過程可知，當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇時(shí)打通放電通道是形成雷電主放電的關(guān)鍵點(diǎn)，該裝置是在此關(guān)鍵點(diǎn)以納秒級(jí)速度斷開接地，阻斷了主放電的過程（圖1）。工作過程如下。

圖1 新型直擊雷防護(hù)裝置

狀態(tài)1：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到閾值前，開關(guān)為斷開狀態(tài)；狀態(tài)2：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到閾值后，開關(guān)導(dǎo)通，迅速從地面裝載或釋放大量電子，提供感應(yīng)能量；狀態(tài)3：感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到擊穿空氣條件后，激發(fā)先導(dǎo)放電，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)跌落到閾值以下，開關(guān)迅速斷開，回到狀態(tài)1。狀態(tài)3時(shí)感應(yīng)電極發(fā)出上行先導(dǎo)，具備了“與下行先導(dǎo)相遇”條件，即形成放電通道的條件，但此時(shí)變阻抑制器總是呈高阻狀態(tài)，達(dá)到了阻斷雷電通道目的。在狀態(tài)2時(shí)，變阻抑制器導(dǎo)通，目的是為了從大地補(bǔ)充感應(yīng)電極的能量、形成狀態(tài)3，此過程接地電流很小，對(duì)軸承、防雷電刷的接觸電阻要求不高，避免了因雷電流對(duì)軸承等部件的損壞。狀態(tài)1、2不具備雷電形成條件，狀態(tài)3阻斷雷電通道。

新型直擊雷防護(hù)設(shè)備優(yōu)勢(shì)。新型直擊雷防護(hù)設(shè)備有兩個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，阻止了雷電主放電過程和降低了對(duì)接地電阻要求。阻止雷電主放電過程可使風(fēng)電機(jī)組避免了直擊雷損傷，從根本上解決了風(fēng)機(jī)葉片被雷電損壞的問題，降低對(duì)接地電阻的要求，解決了風(fēng)電機(jī)組建設(shè)在山地多石地貌和土壤電阻率高環(huán)境下的接地維護(hù)問題。采用引雷入地技術(shù)接地電阻是防雷的關(guān)鍵，接地電阻不滿足要求時(shí)由于雷電能量不能及時(shí)泄放入大地，造成葉片損傷概率激增，為了降低接地電阻采用增大接地面積、使用降阻劑等不僅多占用征地，還會(huì)造成土地污染且增加維護(hù)成本，因此采用新型直擊雷防護(hù)技術(shù)不僅解決了直擊雷防護(hù)問題，還減少了土地占用、避免了土地污染、降低了運(yùn)維成本。

風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)中葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其軸承是防雷引下線不可跨越的途徑，采用引雷入地防雷技術(shù)存在風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)，另一方面風(fēng)電場(chǎng)選址在山地多石等土壤電阻率高的環(huán)境是優(yōu)先選擇，因此風(fēng)電機(jī)組防雷問題是急需解決的普遍性問題，采用新型直擊雷防護(hù)技術(shù)，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證是可靠的優(yōu)選方案。新型直擊雷防護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了工程實(shí)施簡(jiǎn)單，無源免維護(hù)等特點(diǎn)，在安裝改造過程中充分考慮了原有防雷系統(tǒng)的再利用問題，即：原有防雷系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施除截?cái)嗳~片防雷引下線、串接新型直擊雷防護(hù)設(shè)備之外無需改動(dòng)，此設(shè)計(jì)使的防雷改造工作成本低、效率高、安裝簡(jiǎn)單、對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)無影響，具備大規(guī)模應(yīng)用特點(diǎn)。

3 工程設(shè)計(jì)與安裝

安裝位置。風(fēng)電機(jī)組新型直擊雷防護(hù)裝置，每個(gè)葉片安裝一個(gè)，串接在葉片安裝法蘭葉片側(cè)的引下線中（圖2）。安裝新型直擊雷防護(hù)設(shè)備后，原有防雷設(shè)施繼續(xù)在新的防雷系統(tǒng)中使用，原有風(fēng)機(jī)葉片接閃點(diǎn)與新型直擊雷防護(hù)設(shè)備的感應(yīng)電極連接，成為感應(yīng)電極的一部分，是風(fēng)電機(jī)組葉片上發(fā)生先導(dǎo)放電的點(diǎn)，由于變阻抑制器的作用，接閃點(diǎn)不再接閃變?yōu)榛亻W點(diǎn)。原有接地引下線部分在葉片根部串接新型直擊雷防護(hù)設(shè)備，其余部分作用不變，安裝了新型直擊雷防護(hù)設(shè)備后，接地引下線部分的作用不再承受雷電主放電，僅用于為提供新型直擊雷防護(hù)設(shè)備的感應(yīng)電極提供電場(chǎng)感應(yīng)能量，電流很小不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承造成威脅，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承工作過程中造成的電阻不穩(wěn)定性也不會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的防雷性能。

圖2 安裝位置

每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝三臺(tái)新型直擊雷防護(hù)裝置，安裝后葉片不接閃，對(duì)軸承、防雷電刷機(jī)構(gòu)接觸電阻沒有要求。在風(fēng)電機(jī)組葉片免受雷擊損壞外，還減輕了軸承雷擊造成的潛在威脅。由于安裝了新型直擊雷防護(hù)設(shè)備后不再發(fā)生雷電主放電，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)感應(yīng)雷危險(xiǎn)也降到最低。不但解決了直擊雷防護(hù)問題，還優(yōu)化了感應(yīng)雷防護(hù)，總體提高了風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)水平。工程實(shí)施時(shí)安裝在葉片根部隔板上，為了確保機(jī)艙直擊雷防護(hù)，在機(jī)艙頂部的氣象架上安裝了側(cè)擊雷防護(hù)裝置，側(cè)擊雷防護(hù)裝置原理與直擊雷防護(hù)裝置相同，通過法蘭與支撐連接，支撐桿固定在機(jī)艙頂部的氣象加上，不影響氣象架原有設(shè)備的工作。

工程設(shè)計(jì)。依據(jù)為賈汪風(fēng)電場(chǎng)雷擊事件資料和現(xiàn)場(chǎng)考察分析，賈汪風(fēng)電場(chǎng)共37臺(tái)風(fēng)機(jī)，根據(jù)《賈汪風(fēng)場(chǎng)葉片檢測(cè)報(bào)告》（36#風(fēng)機(jī)、7#風(fēng)機(jī)）均由雷擊記錄，其中36#風(fēng)機(jī)安裝在賈汪風(fēng)電場(chǎng)的最高點(diǎn)，37#風(fēng)機(jī)臨近36#風(fēng)機(jī)，所以本次設(shè)計(jì)在7#、36#、37#風(fēng)機(jī)上安裝了新型直擊雷防護(hù)裝置。

工程安裝。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝三臺(tái)新型直擊雷防護(hù)裝置，安裝后葉片不接閃，對(duì)軸承、防雷電刷等機(jī)構(gòu)接觸電阻沒有要求。在風(fēng)電機(jī)組葉片免受雷擊損壞外，還減輕了軸承雷擊造成的潛在威脅，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)感應(yīng)雷危險(xiǎn)也降到最低。工程實(shí)施時(shí)將新型直擊雷防護(hù)設(shè)備用螺栓固定在葉片根部隔板上，隔板兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了加強(qiáng)整體墊片，將原有的葉片防雷引下線截?cái)?，接閃點(diǎn)端連接新型直擊雷防護(hù)設(shè)備的感應(yīng)電極測(cè)，接地方向端與新型直擊雷防護(hù)設(shè)備的接地端連接。為了確保機(jī)艙直擊雷防護(hù)，在機(jī)艙頂部的氣象架上安裝了側(cè)擊雷防護(hù)裝置，保護(hù)當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)到“Y”字形位置時(shí)，或復(fù)雜氣象環(huán)境時(shí)從側(cè)面過來先導(dǎo)放電情況下，風(fēng)機(jī)機(jī)艙的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。防護(hù)原理相同。新型直擊雷防護(hù)設(shè)備安裝后，從3月到11月經(jīng)過一個(gè)雷雨季節(jié)的運(yùn)行，36#、37#、7#三臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)檢測(cè)沒有遭受雷擊的痕跡，風(fēng)電機(jī)組雷電監(jiān)測(cè)裝置沒有記錄到雷電流數(shù)據(jù)，解決了賈汪風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)問題。